TWI437725B - 光電半導體元件 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種光電半導體元件，特別是一種以氮化物化合物半導體為主之元件，例如，發光二極體(LED)或雷射二極體。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2008 052 405.0之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
光電半導體元件通常具有n-摻雜區、p-摻雜區和介於此二個摻雜區之間的活性區。為了製成電性終端，n-摻雜區和p-摻雜區至少在一部份區域中設有終端層，其可以是一種金屬層或由透明導電氧化物(TCO)所構成的層。在將p-摻雜之氮化物化合物半導體層與電性終端連接時，通常會在半導體材料和終端層之間的界面上發生不期望的高電壓降，這樣會使光電元件的效率下降。
本發明的目的是提供一種以氮化物化合物半導體為主之改良的光電半導體元件，其特徵是終端層上p-接觸層之改良的終端。特別是該元件在操作時在p-接觸層和終端層之間的界面上應產生儘可能小的電壓降。
上述目的藉由具有申請專利範圍第1項特徵之光電半導體元件來達成。本發明有利之佈置和其它形式描述在申請專利範圍各附屬項中。
依據一實施形式，光電半導體元件具有一種以氮化物化
合物半導體為主之半導體層序列，其包括n-摻雜區、p-摻雜區和介於此n-摻雜區和p-摻雜區之間的活性區。此n-摻雜區和p-摻雜區未必完全由摻雜層所形成而是亦可由未摻雜層所形成。
“以氮化物化合物半導體材料為主”在此處之意義是指，半導體層序列或其至少一層較佳是包含一種III-氮化物-化合物半導體材料，較佳是InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確的組成。反之，此材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此InxAlyGa1-x-yN之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(In Al,Ga,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。
該活性區特別是可為一種發出輻射或接收輻射之活性層。此活性層例如可形成為pn-接面、雙異質結構、單一量子井結構或多重-量子井結構。此名稱量子井結構此處特別是包含一種結構，此結構中電荷載體可藉由局限(confinement)而使其能量狀態經歷一種量子化。此名稱量子井結構此處特別是未指出量子化的維度。因此，此量子井結構另外可包含量子槽，量子線和量子點以及這些結構的每一種組合。
該p-摻雜區具有一種由InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1構成的p-接觸層。此p-接觸層特別是可為一種GaN-層。
此p-接觸層鄰接於一終端層，其具有一種金屬或金屬合金。特別是該金屬或金屬合金可具有鋁、銀或金或由其所構成。
在另一佈置中，該終端層具有一透明之導電氧化物(簡稱為TCO)，其是透明之導電材料且通常是金屬氧化物，例如，氧化鋅、氧化錫、氧化鎘、氧化鈦、氧化銦或氧化銦錫(ITO)。二元的金屬氧化物包括ZnO,SnO2,In2O3，三元的金屬氧化物包括Zn2SnO4,CdSnO3,ZnSnO3,MgIn2O4,GaInO3,Zn2In2O5或In4Sn3O12。這些二元或三元的金屬氧化物、或不同的透明導電氧化物之混合物都屬於TCOs之族群。
在該終端層的界面上，該p-接觸層包括第一區，其具有Ga-正面-方位；以及第二區，其具有N-正面-方位。第一區和第二區之不同處是晶體結構的定向。
氮化物化合物半導體在磊晶生長中通常形成一種纖鋅礦-晶體結構，其晶體結構圖的c-軸平行於生長方向而延伸。因此，各區可依據生長參數而在所謂Ga-正面-方位中形成或在所謂N-正面-方位中形成，其中Ga-正面-方位對應於晶體結構圖的[0001]-方向，且N-正面-方位對應於晶體結構圖的[000-1]-方向。
氮化物化合物半導體具有熱電(pyro-electric)特性，即，其在無外部電場時亦具有電場極化性。電場的定向就Ga-正面-方位和N-正面-方位而言設定成相反。由於此一原因，則具有Ga-正面-方位的區和具有N-正面-方位的
區具有不同的電性。
本發明是以下述的認知為基準：當由氮化物化合物半導體材料所構成的p-接觸層和由一種金屬、金屬合金或透明之導電氧化物所構成的相鄰之終端層之間的界面上存在具有Ga-正面-方位的區和N-正面-方位的區時是有利的。
對氮化物化合物半導體材料之p-摻雜而言，Ga-正面-區是有利的。這與”半導體材料生長時(特別是藉由MOVPE)氫進入至半導體材料中”有關，p-摻雜物質(特別是鎂)有一部份被氫所鈍化。該p-摻雜物質例如藉由溫度處理而被活化，此時氫由半導體材料中擴散而出。已顯示的事實是：氫由Ga-正面-區漏出較由N-正面-區漏出更容易。這與”在晶體生長方向由Ga-正面-標準生長方向轉換成N-正面-生長方向時的界面上氫不能穿過或不易穿過該界面”有關。因此，當該p-接觸層之表面具有Ga-正面-區時，該p-摻雜物質之活化較簡單。
另一方面，該N-正面-區所具有的優點是，在由金屬、金屬合金或透明之導電氧化物所構成的終端層上可對半導體材料達成一種小的電壓降或甚至無電壓降的連接。這是與”在至Ga-正面-區之界面之附近中該N-正面-區具有n-型-半導體材料之特性”有關。此種效應可能與N-正面-區中會發生晶體缺陷有關，此晶體缺陷過度(over)補償了一般p-摻雜之半導體材料之受體(acceptors)。由於N-正面-區在區邊界具有n-型特性，則在p-接觸層之p-摻雜之半導體材料和相鄰之終端層之間會形成局部的穿
隧接面。此種效應可對該終端層形成連接而幾乎無電壓降。
然而，另一方面當整個p-接觸層具有N-正面-方位時是有利的，此乃因氫不易由N-正面-區漏出且因此不易使p-摻雜物質(特別是鎂)活性化。該p-接觸層較佳是在至該終端層的界面上佔有Ga-正面-方位之區之至少10%之面積。此外，所佔有之Ga-正面-方位之區之面積最多是90%時是有利的。
在一較佳的佈置中，該p-接觸層在至該終端層之界面上佔有Ga-正面-方位之區之至少40%且最多70%之面積。該終端層和p-接觸層之間的界面之其餘的至少30%且最多60%可有利地具有N-正面-方位之區。Ga-正面-區相對於N-正面-區之此種比例一方面可使該p-接觸層和該終端層之間的界面上形成較小的電壓降或甚至無電壓降，且亦可使p-摻雜物質(例如，鎂)較佳地活性化。該p-接觸層和該終端層之間的界面上之電壓降小於0.2V，特別是小於0.1V時是有利的。
第一區及/或第二區例如具有大約10奈米至5奈米之橫向範圍。
N-正面-區有利地具有小於1微米之橫向範圍，較佳是小於100奈米且特別是小於10奈米。N-正面-區之此種小的橫向範圍對p-摻雜物質之活性化是有利的。
各區的大小以及Ga-正面-區相對於N-正面-區之比特別是可藉由摻雜物質濃度和p-接觸層之層厚度來調整。此p-
接觸層所具有的摻雜物質濃度可介於5*1019cm-3(含)和2*1021cm-3(含)之間。此摻雜物質較佳是鎂。
已顯示的事實是：N-正面-區特別是可在較高的摻雜物質濃度時形成在生長表面上。因此，該p-接觸層較佳是以大於1*1020cm-3之摻雜物質濃度，特別是介於1.5*1020cm-3和3*1020cm-3之間之摻雜物質濃度來製成。
該p-接觸層之厚度可有利地介於5奈米(含)和200奈米(含)之間，特別是30奈米或更小。
在一種佈置中，該活性層是發出輻射的層，且該終端層配置在該元件之輻射發出側上。在此種情況下，該終端層可有利地藉透明之導電氧化物來形成，使該活性層所發出的輻射可經由該終端層而由該元件發出。該終端層特別是可含有銦-錫-氧化物(ITO)。
由於該p-接觸層在至該終端層之界面上具有N-正面-區和Ga-正面-區，因此，該p-接觸層所具有的粗糙度大於未具有區結構的p-接觸層的粗糙度。在輻射由該光電元件發出情況下，此粗糙度有利。特別是該p-接觸層之粗糙度持續至配置於其上的終端層中，使該終端層的表面亦可具有一較高的粗糙度。該終端層可與環境媒體(例如，空氣)鄰接，其中該終端層之表面之較高粗糙度對輻射的發出有利，此乃因為可避免半導體本體內該輻射在至該環境媒體之界面上的全反射(特別是多次的全反射)。
在該光電元件之另一佈置中，該活性層是發出輻射的層
，且該元件之輻射發出側在由該活性層來觀看時，位於該終端層的對面。在此種情況下，由活性層所發出的輻射在與該p-接觸層和該終端層.相面對的一側上由該光電元件中發出。在此佈置中，該終端層特別是可為一種由金屬或金屬合金所構成的鏡面層。此金屬或金屬合金較佳是含有銀、鋁或金。藉此鏡面層，由活性層所發出之輻射可有利地反射至輻射發出側的方向中，以便在該處由該光電元件發出。
另外，該終端層亦具有一種透明之導電氧化物(例如，ITO)，其中由活性層來觀看時，較佳是有一鏡面層跟隨在該終端層之後。在此情況下，此鏡面層可為由金屬或金屬合金所構成的層。特別有利的是此鏡面層可為介電質鏡面。此介電質鏡面具有多個交替地由二種折射率不同的介電質材料(例如，SiO2和SiN)所構成的層。藉介電質鏡面，在一預設的波長或一預設的波長範圍中可達成一種較具有金屬鏡面時還高的反射率。在使用介電質鏡面時，該p-接觸層之電性連接是藉該終端層之透明導電氧化物來達成。
本發明以下將依據實施例來詳述。
各圖式和實施例中相同或作用相同的各組件分別標示相同的參考符號。所標示各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。
第1圖所示之光電半導體元件包含一種以氮化物化合物半導體材料為主之半導體層序列3。半導體層序列3之半導
體層4，5，6，7特別是具有InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1。
半導體層序列3例如以磊晶方式生長在生長基板10上。此生長基板10例如是一種藍寶石-基板或GaN-基板。
半導體層序列3含有一種n-摻雜區4、p-摻雜區8和一介於該n-摻雜區4和該p-摻雜區8之間的活性層5。
該n-摻雜區4和該p-摻雜區8可分別包括一個或多個半導體層。在該n-摻雜區4和該p-摻雜區8中另外亦可包括未摻雜的層。
該活性層5特別是可包括一輻射發出層。此活性層5特別是可包括一種pn-接面或較佳是包括一種單一或多重式量子井結構。例如，該半導體元件是一種LED或半導體雷射。或是，該活性層5是一種輻射接收層且該光電半導體元件是一種偵測器。
該p-摻雜區8含有p-摻雜層6和由InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1構成的p-接觸層7。該p-接觸層7是與由金屬、金屬合金或透明的導電氧化物所構成的終端層9相鄰接。
該終端層9用來製成一種電性接觸區，以將電流導入至半導體層序列3中。當使用可導電的基板時，另一電性接觸區11例如可配置在基板10之背面上。
該p-接觸層7具有不同的區1，2，區1，2具有氮化物化合物半導體材料之晶體結構不同的方位。該p-接觸層特別
是在至該終端層9之界面上包含第一區1(其具有Ga-正面-方位)和第二區(其具有N-正面-方位)。各Ga-正面-區1定向於氮化物化合物半導體材料之六角形的晶格之[0001]-晶體方向中，且各N-正面-區2定向於[000-1]-晶體方向中。由於III-材料(Ga,In或Al)族和N-原子之間在Ga-正面-區1和N-正面-區2中的結合之方位不同，則各區1，2在機械性和電性上亦不同。
有利的是該p-接觸層7具有Ga-正面-區1和N-正面-區2。
該氮化物化合物半導體材料之p-摻雜物質(較佳是鎂)之活化通常是藉由溫度處理來達成，其中氫由半導體材料中溢出。已顯示的事實是，當該p-接觸層7之至少一部份區域具有Ga-正面-方位的第一區1時，氫較佳是可由Ga-正面-區1和N-正面-區2漏出。
各N-正面-區2可有利地使p-接觸層7電性連接至該終端層9而不會發生明顯的電壓降。這與N-正面-方位之區2在至該終端層9之界面上雖然存在一般之p-摻雜但仍具有n-型特性有關。預估在N-正面-區中會在晶體層中形成缺陷，其將造成受體之過度(over)補償，且因此是造成N-正面-區2之n-型特性的原因。
各N-正面-區2在至該終端層9之界面上由於本身的n-型特性而形成一穿隧接面，藉此使該p-接觸層7在無明顯的壓降下電性連接至該終端層9。該p-接觸層7和該終端層9之間的界面上的壓降較佳是小於0.2V，特別是小於0.1V。
在將傳統的p-摻雜之氮化物化合物半導體層電性連接至
一終端層(例如，由透明之導電氧化物所構成的層)時所產生的大於0.2V之壓降可藉p-接觸層7中之N-正面-區來減小或甚至予以避免。
該終端層9較佳是一種由透明導電氧化物(例如，ITO或ZnO)所構成的層。特別有利的是光電半導體元件為LED且經由該終端層9來發出輻射。在此種情況下，該終端層9可有利地施加在整個p-接觸層7上，這樣可在無重大的吸收損耗下，使電流良好地擴散至該終端層9中。
或者，該終端層9可為一種由金屬或金屬合金所構成的層，其較佳是只以區域方式而施加在p-接觸層7上。在該終端層9由金屬或金屬合金所構成時，該終端層9例如可具有鋁或由鋁構成。
該p-接觸層7在至該終端層9之界面上具有Ga-正面-方位之區之至少10%且最多90%之面積，尤佳者具有至少40%且最多70%之面積。
第一和第二區1，2未必如第1圖所示，經由該p-接觸層7之整個厚度而延伸，而是亦可只形成在至該終端層9之界面之區域中。因此，各區之垂直和橫向之範圍可互相不同。特別是第一區和第二區1，2之橫向範圍不必在該p-接觸層7之層厚度上保持定值而是亦可變化。例如，各區1，2可具有平截頭棱錐體的形式。
Ga-正面-區1和N-正面-區2之形成特別是與該p-接觸層7之摻雜物質濃度和層厚度有關。
因此，Ga-正面-區1和N-正面-區2形成在p-接觸層7中，
此p-接觸層7之厚度可有利地在5奈米和200奈米之間調整且摻雜物質濃度可在5*1019cm-3和2*1021cm-3之間調整。該p-接觸層7較佳是具有20奈米或更小的厚度。該摻雜物質濃度較佳是大於1*1020cm-3，例如，可介於1.5*1020cm-3和3*1020cm-3之間。
第一區1及/或第二區2之橫向範圍在p-接觸層7和終端層9之間的界面上例如可介於10奈米和5微米之間。
當N-正面-區2在至該終端層9之界面上之橫向範圍小於1微米時特別有利，更佳是小於100奈米且特別佳時是小於10奈米。以此種方式，則可在各N-正面-區2之間配置足夠多且大的Ga-正面-區1，藉此使得p-摻雜物質在活化時氫可溢出至p-接觸層7中。
由於p-接觸層7中形成第一區1和第二區2，則該p-接觸層7所具有的粗糙度大於傳統上由氮化物化合物半導體所構成的p-接觸層者。此種較高的粗糙度可經由與該終端層9所形成之界面而持續至該終端層9之表面，這樣對該光電半導體元件之輻射發出是有利的。
第2圖所示之光電半導體元件之實施例是一種所謂薄膜-LED，其中半導體層序列3由原來的生長基板剝離。原來的生長基板由n-摻雜區4剝離，此n-摻雜區在本實施例中配置在光電半導體元件之輻射發出側。在與原來的生長基板相面對的此側上施加半導體元件，其例如在載體14上具有一焊接層13。由該活性層5來觀看時，具有p-摻雜層7之p-摻雜區8與該載體14相面對。該載體14例如可具
有鍺或陶瓷。
如先前所述的實施例，該p-接觸層7包括Ga-正面-方位之第一區1和N-正面-方位之第二區2。具有第一區1和第二區2之該p-接觸層7鄰接於該終端層9，其包括金屬或金屬合金。為了製造第二電性終端，可在n-摻雜區4上施加一接觸層12。
該p-接觸層7中各區1，2之有利佈置形式以及該終端層9上的電性終端之優點與先前的實施例者相同。
該終端層9較佳是一種反射層，以使該活性區5在該載體14之方向中所發出之輻射被反射至該n-摻雜區4之表面上的相面對的輻射發出面上。反射用的終端層9特別是具有鋁、銀或金或由其所構成。在反射用的終端層9和焊接層13之間可配置一個或多個其它層(未顯示)，該半導體元件藉由焊接層13而與載體14相連接。所述其它層是指黏合層、連結層及/或位障層，其可防止該焊接層13之材料擴散至該反射用的終端層9中。
第3圖所示光電半導體元件之另一實施例不同於第2圖之元件之處是，該終端層9不是由金屬或金屬合金所構成的層而是由透明的導電氧化物所構成的層。特別是該終端層9鄰接於p-接觸層7且是一種由銦-錫-氧化物(ITO)所構成的層。由該活性層5來觀看時，鏡面層15位於透明的終端層9之後。
鏡面層15特別是可以為介電質鏡面。介電質鏡面15例如可包括多個交替配置的SiO2-層和SiN-層。介電質鏡面相
對於金屬鏡面所具有的優點是：在預設的波長或波長範圍中，通常可達成一種較金屬鏡面者還高的反射。在該介電質鏡面15之情況下，該終端層9例如可經由一種或多種可導電的化合物16而與焊接層13相連接。
此外，就作用方式和其它佈置而言，第3圖之實施例就與第2圖之實施例相當。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧第一區
2‧‧‧第二區
3‧‧‧半導體層序列
4‧‧‧n-摻雜區
5‧‧‧活性區
6‧‧‧p-摻雜層
7‧‧‧p-接觸層
8‧‧‧p-摻雜層
9‧‧‧終端層
10‧‧‧生長基板
11‧‧‧接觸層
12‧‧‧接觸層
13‧‧‧焊接層
14‧‧‧載體
15‧‧‧鏡面
16‧‧‧可導電的化合物
光電半導體元件
第1圖顯示一光電元件之第一實施例之橫切面。
第2圖顯示一光電元件之第二實施例之橫切面。
第3圖顯示一光電元件之第三實施例之橫切面。
1‧‧‧第一區
2‧‧‧第二區
3‧‧‧半導體層序列
4‧‧‧n-摻雜區
5‧‧‧活性區
6‧‧‧p-摻雜層
7‧‧‧p-接觸層
8‧‧‧p-摻雜層
9‧‧‧終端層
10‧‧‧生長基板
11‧‧‧接觸層
Claims (15)
- 一種光電半導體元件，具有以氮化物化合物半導體為主之半導體層序列(3)，其包括：n-摻雜區(4)，p-摻雜區(8)和一介於該n-摻雜區(4)和該p-摻雜區(8)之間的活性區(5)，該p-摻雜區(8)具有由InxAlyGa1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1所構成之p-接觸層(7)，其鄰接於一由金屬、金屬合金或透明的導電氧化物所構成的終端層(9)，其特徵為，該p-接觸層(7)在至該終端層(9)之界面上具有Ga-正面-方位之第一區(1)和N-正面-方位之第二區(2)。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體元件，其中該p-接觸層(7)在至該終端層(9)之界面上具有Ga-正面-方位之區(1)之至少10%且最多90%之面積成份。
- 如申請專利範圍第2項之光電半導體元件，其中該p-接觸層(7)在至該終端層(9)之界面上具有Ga-正面-方位之區(1)之至少40%且最多70%之面積成份。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元件，其中該第一區(1)及1或該第二區(2)分別具有10奈米至5微米之橫向範圍。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元件，其中該第二區(2)具有小於1微米之橫向範圍。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元 件，其中該p-接觸層(7)具有大於1*1020cm-3之摻雜物質濃度。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元件，其中該p-接觸層(7)具有介於5奈米(含)和200奈米(含)之間的厚度。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元件，其中該p-接觸層(7)具有30奈米或更小的厚度。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元件，其中該活性區(5)是發出輻射之層且該終端層(9)配置在該元件之輻射發出側。
- 如申請專利範圍第9項之光電半導體元件，其中該終端層(9)具有透明的導電氧化物。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體元件，其中該活性區(5)是發出輻射之層且由該發出輻射之層(5)來觀看時該元件之輻射發出側是與該終端層(9)相面對。
- 如申請專利範圍第11項之光電半導體元件，其中該終端層(9)是由金屬或金屬合金所構成的鏡面層。
- 如申請專利範圍第11項之光電半導體元件，其中該終端層(9)具有透明之導電氧化物。
- 如申請專利範圍第13項之光電半導體元件，其中該終端層(9)由該活性層(5)來觀看時隨後跟隨著一鏡面層(15)。
- 如申請專利範圍第14項之光電半導體元件，其中該鏡面層(15)是介電質鏡面層。
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